MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY TRONG BỂ HÚT, BUỒNG HÚT<br />
TRẠM BƠM NHƯ QUỲNH QUA MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM FLUENT VÀ ĐỀ<br />
XUẤT GIẢI PHÁP CẢI TẠO BỂ HÚT, BUỒNG HÚT TRẠM BƠM NHƯ QUỲNH<br />
TS. Đinh Anh Tuấn, TS. Phạm Văn Thu, Ths. Phạm Song Hùng, Ths. Nguyễn Hồng Long<br />
Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi<br />
<br />
Tóm tắt: Trạm bơm Như Quỳnh tồn tại một số nhược điểm về thủy lực bể hút, buồng hút. Bài<br />
báo này trình báy một số kết quả nghiên cứu dòng chảy bể hút, buồng trên mô hình toán Fluent.<br />
Từ đó đề xuất giải pháp cải tạo bể hút, buồng hút trạm bơm Như Quỳnh để trạm bơm vận hành<br />
tốt.<br />
Từ khóa: Thủy lực buồng hút bể hút, dòng chảy buồng hút bể hút, trạm bơm Như Quỳnh,<br />
FLUENT.<br />
Summary: The Nhu Quynh pumping station exists some hydraulic disadvantages of the inlet<br />
tank. This document presents some research results of the water flowing in the inlet tank in a<br />
computational fluid dynamics software, Fluent. Therefore a solutions is suggested to improve the<br />
inlet tank of the Nhu Quynh pumping station to make it operate better and stabler.<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Trạm bơm Như Quỳnh là một trạm bơm lớn tạo nguồn nước đổ ải, phục vụ cho sản xuất<br />
nông nghiệp của các tỉnh Bắc Ninh, Hưng Yên và thành phố Hà Nội. Trạm bơm mới được xây<br />
dựng trong phạm vi mặt bằng trạm bơm cũ với 4 tổ máy bơm có công suất động cơ 260 kW, lưu<br />
lượng bơm 12.600 m3/h, hoàn thành đưa vào vận hành năm 2007. Trong quá trình vận hành, sử<br />
dụng trạm bơm không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, máy bơm thường xuyên bị ngắt không vận<br />
hành được. Nguyên nhân thủy công chủ yếu được xác định:<br />
- Trạm bơm bố trí theo tuyến vuông góc với kênh hút nên ảnh hưởng đến chất lượng<br />
dòng chảy từ kênh hút vào bể hút;<br />
- Bể hút nhỏ hẹp, không có đoạn chuyển tiếp giữa buồng hút và bể hút;<br />
- Tường cánh bố trí thẳng đứng không thuận cho dòng chảy vào buồng hút (thường là góc<br />
0<br />
45 );<br />
- Kênh dẫn vì lấn chiếm mặt cắt thu hẹp, tiết diện ướt nhỏ và bồi lắng nhiều gây tổn thất<br />
cục bộ;<br />
- Buồng hút thiết kế không hợp lý, thể tích buồng hút bé, do có 1 đoạn dốc sát miệng hút<br />
của máy bơm, gờ dốc này gây ra xáo trộn dòng chảy vào bơm.<br />
Đề tài đã tiến hành nghiên cứu các giải pháp công trình nhằm điều chỉnh dòng chảy vào<br />
bể hút, buồng hút được thuận dòng để trạm bơm vận hành ổn định.<br />
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br />
Sử dụng mô hình toán FLUENT để mô phỏng dòng chảy trong bể hút, buồng hút trạm<br />
bơm Như Quỳnh trong điều kiện hiện trạng và khi có các giải pháp công trình từ đó lựa chọn giải<br />
pháp công trình phù hợp.<br />
Phạm vi nghiên cứu trên mô hình được thiết lập:<br />
- Miền tính tính từ lưới chắn rác phía thượng lưu tới lưới chắn rác phía hạ lưu;<br />
- Trạm bơm Như quỳnh cũ: 8 máy bơm với lưu lượng mỗi máy Q = 6000 m3/h;<br />
- Trạm bơm như quỳnh mới: 4 máy bơm với lưu lượng mỗi máy Q = 12.600 m3/h;<br />
- Số liệu bao gồm địa hình và thiết kế chi tiết bể hút, buồng hút trước và sau cải tạo.<br />
Hình 1. Kênh hút và bể hút trạm bơm Như Quỳnh<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2: Địa hình, vị trí biên thiết lập cho nghiên cứu bể hút<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
c ¾t n g a n g n h µ t r ¹ m<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3: Mặt cắt ngang trạm bơm Như Quỳnh<br />
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN DÒNG CHẢY CỦA BỂ HÚT TRẠM<br />
BƠM NHƯ QUỲNH<br />
3.1. Bể hút trước khi cải tạo<br />
a) Trường hợp cả trạm bơm củ và trạm bơm mới cùng hoạt động<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4: Hình ảnh dòng chảy lớp nước bề mặt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
3<br />
Hình 5: Hình ảnh dòng chảy lớp giữa<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6: Hình ảnh dòng chảy lớp đáy<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
4<br />
b) Trường hợp chỉ có trạm bơm mới hoạt động<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 7: Hình ảnh dòng chảy lớp nước bề mặt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 8: Hình ảnh dòng chảy lớp giữa<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
5<br />
Hình 9: Hình ảnh dòng chảy lớp đáy<br />
c) Nhận xét, phân tích về kết quả mô phỏng dòng chảy bể hút trước khi cải tạo<br />
* Trường hợp cả trạm bơm cũ và trạm bơm mới cùng hoạt động:<br />
- Dòng chảy lớp bề mặt và lớp đáy phức tạp, không ổn định;<br />
- Dòng chảy ở các lớp giữa chủ yếu vào nhóm ba bốn máy ngoài cùng của trạm bơm cũ có vận<br />
tốc rất lớn;<br />
- Tạo ra vùng xoáy quẩn phía trước ba máy trong cùng của trạm bơm cũ;<br />
- Dòng chảy vào trạm bơm mới với tốc độ nhỏ, không đối xứng bị lệch về bờ hữu nhìn về<br />
thượng lưu.<br />
* Trường hợp chỉ mỗi trạm bơm mới cùng hoạt động:<br />
- Dòng chảy lớp bề mặt và lớp đáy phức tạp, không ổn định, tuy nhiên tốt hơn so với trường hợp<br />
chạy đồng thời cả hai trạm;<br />
- Dòng chảy vào bể hút trạm bơm mới không đối xứng lệch về bờ hữu nhìn về thượng lưu;<br />
- Dòng chảy ở các lớp giữa chủ yếu bị tăng tốc ở ngoài, vào khá thuận hai máy giữa của trạm<br />
bơm mới;<br />
- Dòng chảy vào tổ máy hai đầu trạm bơm không thuận;<br />
- Tạo ra vùng xoáy quẩn phía trước tổ máy bơm hai đầu trạm bơm.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
6<br />
3.2. Các giải pháp công trình cải tạo bể hút<br />
a) Phương án 1: Lắp 3 tấm hướng dòng đều nhau tại bể hút<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 10: Mặt bằng lắp đặt 3 tấm hướng dòng đều nhau tại bể hút<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 11: Hình ảnh dòng chảy lớp bề mặt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
7<br />
Hình 12: Hình ảnh dòng chảy lớp giữa<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 13: Hình ảnh dòng chảy lớp đáy<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
8<br />
b) Phương án 2: Lắp 4 tấm hướng dòng ở ngoài kênh hút chéo góc 45o so với bể hút<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 14: Mặt bằng lắp đặt 4 tấm hướng dòng ở ngoài kênh hút chéo góc 45o so với bể hút<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 15: Hình ảnh dòng chảy lớp mặt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
9<br />
Hình 16: Hình ảnh dòng chảy lớp giữa<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 17: Hình ảnh dòng chảy lớp đáy<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
10<br />
c) Phương án 3: Lắp 3 tấm hướng dòng ở ngoài kênh hút chéo góc 45 o so với bể hút và kéo<br />
dài theo dòng chảy vào buồng hút<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 18: Mặt bằng lắp đặt 3 tấm hướng dòng ở ngoài kênh hút chéo góc 45o so với bể hút và kéo<br />
dài theo dòng chảy vào buồng hút<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 19: Hình ảnh dòng chảy lớp bề mặt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
11<br />
Hình 20: Hình ảnh dòng chảy lớp giữa<br />
d) Nhận xét, phân tích kết quả mô phỏng dòng chảy bể hút sau khi cải tạo<br />
* Phương án 1: Lắp 3 tấm hướng dòng đều nhau tại bể hút<br />
Dòng chảy lớp bề mặt và lớp đáy vào buồng hút của 4 tổ máy vẫn không ổn định, xuất hiện xoáy<br />
ngay đầu vào buồng hút do dòng chảy bị lệch phía bờ hữu nhìn về phía thượng lưu.<br />
* Phương án 2: Lắp 4 tấm hướng dòng ở ngoài kênh hút chéo góc 45o so với bể hút<br />
- Dòng chảy ở đầu vào các tấm hướng dòng khá tốt, tuy nhiên dòng chảy ra khỏi tấm hướng<br />
dòng vẫn bị rối, chưa tốt;<br />
- Dòng chảy vào buồng hút tổ số 4 bị lệch hẳn về tường cánh bể hút phía hạ lưu.<br />
* Phương án 3: Lắp 3 tấm hướng dòng ở ngoài kênh hút chéo góc 45o so với bể hút và kéo dài<br />
theo dòng chảy vào buồng hút<br />
- Hiệu quả của tấm hướng dòng rõ rệt;<br />
- Dòng chảy tương đối ổn định, dòng chảy đã phân bố tương đối đều cho cả 4 buồng hút của<br />
trạm bơm.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
12<br />
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN DÒNG CHẢY CỦA BUỒNG HÚT TRẠM<br />
BƠM NHƯ QUỲNH<br />
4.1. Buồng hút trước khi cải tạo<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
3600<br />
2000 5150 500 8150<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 21: Cắt doc, mặt bằng buồng hút trước khi cải tạo<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 22: Hình ảnh cắt dọc dòng chảy buồng hút trước cải tạo<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
13<br />
Hình 23: Hình ảnh dòng chảy buồng hút tại mặt cắt miệng hút<br />
Nhận xét, phân tích kết quả mô phỏng dòng chảy buồng hút trước khi cải tạo<br />
- Từ kết quả mô phỏng có sự xuất hiện của xoáy ở phía tường hạ lưu cũng như sát góc bể hút. Để<br />
khắc phục vấn đề này ta lắp đặt tường dạng cánh bám theo biên dạng xoáy để triệt tiêu xoáy;<br />
- Vận tốc trước lối vào bơm không đều, điều này dẫn tới viếc giảm hiệu suất làm việc của bơm.<br />
Để khắc phục vấn đề này lắp thêm 1 chóp hướng dòng vào miệng ống hút;<br />
- Xuất hiện xoáy ở phía vào buồng hút do phần vát gây ra vùng đôt mở, dòng chảy đổi hướng<br />
trước khi đi vào bơm. Giải quyết các vấn đề này lắp các tấm hướng dòng buồng hút.<br />
Giải pháp cải tạo buồng hút cụ thể như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
14<br />
4.2. Buồng hút sau khi cải tạo<br />
<br />
<br />
<br />
1300<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
40<br />
23<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1760<br />
R3<br />
100<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
5000<br />
100<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
125 1300<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
3600<br />
100<br />
2400<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
15<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1760<br />
Ø1400<br />
25.72°<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
R465<br />
<br />
100<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
40<br />
25<br />
150 150<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
900<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 24: Cắt doc, mặt bằng buồng hút sau khi cải tạo<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 25: Cắt dọc hình ảnh dòng chảy buồng hút sau khi cải tạo<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
15<br />
16<br />
Hình 26: Hình ảnh 3D dòng chảy buồng hút sau khi cải tạo<br />
<br />
5. KẾT LUẬN<br />
Từ kết quả tính toán mô phỏng dòng chảy trong bể hút, buồng hút trạm bơm Như Quỳnh<br />
trước và sau cải tạo trên mô hình toán Fluent, đã đánh giá được hiệu quả của từng giải pháp công<br />
trình để cải thiện chất lượng dòng chảy ở bể hút và buồng hút của trạm bơm này. Kết quả tính<br />
toán với nhiều phương án cải tạo, đã chọn được giải pháp hiệu quả nhất đó là:<br />
* Đối với bể hút:<br />
Lắp 3 tấm hướng dòng ở ngoài kênh hút chéo góc 45o so với bể hút và kéo dài theo dòng<br />
chảy vào buồng hút (phương án 3), cụ thể:<br />
- Tấm 1: bán kính cong R = 1,6 m, kích thước (lxh): 6 x 2,5 (m)<br />
- Tấm 2: bán kính cong R = 1,6 m, kích thước (lxh): 9 x 2,5 (m)<br />
- Tấm 3: bán kính cong R = 1,6 m, kích thước (lxh): 12 x 2,5 (m).<br />
* Đối với buồng hút:<br />
- Bổ sung tường biên hạ lưu dạng biên dòng chảy;<br />
- Lắp chóp hướng dòng đầu miệng hút;<br />
- Lắp các tấm hướng dòng buồng hút.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
Đinh Anh Tuấn và nnk, đề tài độc lập cấp Nhà nước: ““Nghiên cứu, tính toán, thiết kế buồng<br />
hút, bể hút để cải tạo và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống các trạm bơm vừa và lớn”,<br />
Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi thực hiện năm 2012 – 2016.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
17<br />